Analytical design of end-of-life disposal manoeuvres in the perturbed phase space

The increasingly pressing space debris issue requires taking immediate actions to prevent the onset of an irreversible process. If insufficient countermeasures are adopted, the access to space could be completely compromised in a matter of few decades. While the international space community has identified strict guidelines to slow down and possibly reverse the process, the implementation of mitigation expedients represents the game changing strategy to cope with the problem. All the above considered, the interest in efficient end-of-life disposal design algorithms has widely spread in recent years. While extensive analyses have been carried out about Low Earth Orbit and Geostationary Orbit, only few works considered Highly Elliptical Orbit satellites. Given the inherent complexity of their dynamics, most of the proposed approaches rely on heavy global optimisation techniques. As a result, current end-of-life plans invariably require a strong participation of the ground segment in the loop, demanding the allocation of significant resources to follow the post-mission operations. In an attempt to overcome the aforementioned limitations, the current work investigates the possibility to develop a fully-analytical technique to plan end-of-life disposal manoeuvres in an efficient manner. The ultimate goal is to empower the limited onboard processors to arrange the required disposal actions in full autonomy, hence relieving the operation centres from a major part of the burden. The proposed approach relies on a simplified dynamical model obtained by averaging the perturbing potentials over the fast angles. The additional elimination of the node leads to a single degree of freedom problem, which can be efficiently tackled by optimisation techniques. By virtue of its inherent simplicity, the resulting model may suffer from poor accuracy in representing the orbital dynamics. Accordingly, an extensive analysis is carried out to identify a suitable framework to make it work satisfactorily. In this context, referring the dynamics to the Laplace plane appears as a cutting edge option. Eventually, in the endeavour to simplify the disposal planning, a fully-analytical optimisation approach is proposed. Its performance are assessed by comparison with classical global optimisers, applied on a meaningful case study. After a due analysis of the identified critical aspects, possible improvement paths and further directions of research are traced, all united by an extensive use of the phase space as the trigger for clever design strategies.

Il tema dei detriti spaziali è al giorno d’oggi sempre più impellente e richiede azioni urgenti per evitare danni irreversibili. Se misure insufficienti vengono adottate, l’accesso allo spazio potrebbe essere totalmente compromesso nell’arco di pochi decenni. Mentre la comunità spaziale ha identificato delle precise linee guida in merito, il ricorso a tecniche di mitigazione rappresenta la carta vincente per affrontare il problema. Ciò considerato, l’interesse verso metodi efficienti per pianificare la rimozione dei veicoli spaziali si è ampiamente diffuso negli ultimi anni. Se numerosi studi si sono concentrati sull’orbita bassa e geostazionaria, ulteriore ricerca è necessaria nell’ambito dei satelliti in orbita altamente ellittica. A causa dell’intrinseca complessità del loro moto, le tecniche ad ora proposte si basano sul ricorso ad algoritmi di ottimizzazione globale, onerosi dal punto di vista computazionale. Pertanto, la pianificazione delle manovre di rimozione richiede una forte partecipazione del segmento di terra, con conseguente allocazione di ingenti risorse per il monitoraggio dei satelliti oltre il termine della loro vita operativa. Nel tentativo di superare tali criticità, questo studio esamina la possibilità di sviluppare una tecnica completamente analitica per la pianificazione delle manovre di fine vita. L’obiettivo ultimo è lo sviluppo di un metodo efficiente al punto tale che possa essere utilizzato direttamente dai processori di bordo, alleggerendo le operazioni richieste al centro di controllo. L’approccio proposto si basa su una rappresentazione semplificata della dinamica, ottenuta filtrando gli effetti di breve periodo dal potenziale. L’ulteriore operazione di eliminazione del nodo conduce a un problema caratterizzato da un singolo grado di libertà, che può essere affrontato agevolmente con tecniche di ottimizzazione. Per via della sua semplicità, il modello sviluppato può condurre a una rappresentazione poco accurata della dinamica. Di conseguenza, un’ampia analisi è riservata all’identificazione di un espediente che possa garantire delle prestazioni soddisfacenti. In tale ambito, la rappresentazione del moto nel piano di Laplace si configura come una possibile opzione vincente. In secondo luogo, un metodo completamente analitico di ottimizzazione viene sviluppato, al fine di semplificare la pianificazione delle manovre. Le sue prestazioni vengono messe a confronto con i classici metodi di ottimizzazione globale applicati a un particolare caso di studio, per individuarne punti di forza e criticità. Infine, in seguito ad un’analisi critica dei risultati ottenuti, possibili direzioni di sviluppo futuro vengono individuate, tutte accomunate dall’uso estensivo dello spazio delle fasi per orientare la ricerca di soluzioni ottimali.